1. NTP網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議簡(jiǎn)介

NTP(Network Time Protocol)是由美國德拉瓦大學(xué)的David L. Mills教授于1985年提出，除了可以估算封包在網(wǎng)絡(luò)上的往返延遲外，還可獨(dú)立地估算計(jì)算機(jī)時(shí)鐘偏差，從而實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)上的高精準(zhǔn)度計(jì)算機(jī)校時(shí)，它是設(shè)計(jì)用來在Internet上使不同的機(jī)器能維持相同時(shí)間的一種通訊協(xié)定。時(shí)間服務(wù)器(time server)是利用NTP的一種服務(wù)器，通過它可以使網(wǎng)絡(luò)中的機(jī)器維持時(shí)間同步。在大多數(shù)的地方，NTP可以提供1-50ms的可信賴性的同步時(shí)間源和網(wǎng)絡(luò)工作路徑。

網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(NTP)的詳細(xì)說明在RFC-1305[Mills 1992]中。RFC-1305對(duì) NTP協(xié)議自動(dòng)機(jī)在事件、狀態(tài)、轉(zhuǎn)變功能和行為方面給出了明確的說明。它以合適的算法以增強(qiáng)時(shí)鐘的準(zhǔn)確性，并且減輕多個(gè)由于同步源而產(chǎn)生的差錯(cuò)，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確性低于毫秒的時(shí)間服務(wù)，以滿足目前因特網(wǎng)中路徑量測(cè)的需要。

NTP是一個(gè)跨越廣域網(wǎng)或局域網(wǎng)的復(fù)雜的同步時(shí)間協(xié)議，它通�？色@得毫秒級(jí)的精度。RFC2030[Mills 1996]描述了SNTP(Simple Network Time Protocol)，目的是為了那些不需要完整NTP實(shí)現(xiàn)復(fù)雜性的主機(jī)，它是NTP的一個(gè)子集。通常讓局域網(wǎng)上的若干臺(tái)主機(jī)通過因特網(wǎng)與其他的NTP主機(jī)同步時(shí)鐘，接著再向局域網(wǎng)內(nèi)其他客戶端提供時(shí)間同步服務(wù)。

2. NTP授時(shí)原理

NTP授時(shí)原理NTP最典型的授時(shí)方式是Client/Server方式。如下圖所示：

NTP Client/Server模式授時(shí)原理

客戶端首先向服務(wù)端發(fā)送一個(gè)NTP 包，其中包含了該包離開客戶端的時(shí)間戳T1，當(dāng)服務(wù)端接收到該包時(shí)，依次填入包到達(dá)的時(shí)間戳T2、包離開的時(shí)間戳T3，然后立即把包返回給客戶端�？蛻舳嗽诮邮盏巾憫�(yīng)包時(shí)，記錄包返回的時(shí)間戳T4�？蛻舳擞蒙鲜�4個(gè)時(shí)間參數(shù)就能夠計(jì)算出2個(gè)關(guān)鍵參數(shù)：

· NTP包的往返延遲d；

· 客戶端與服務(wù)端之間的時(shí)鐘偏差t；

之后，客戶端就可以使用時(shí)鐘偏差t來調(diào)整本地時(shí)鐘，以使其時(shí)間與服務(wù)端時(shí)間一致。具體方法如下，設(shè)：

· T1為客戶發(fā)送NTP請(qǐng)求時(shí)間戳(以客戶時(shí)間為參照)；

· T2為服務(wù)端收到NTP請(qǐng)求時(shí)間戳(以服務(wù)端時(shí)間為參照)；

· T3為服務(wù)端回復(fù)NTP請(qǐng)求時(shí)間戳(以服務(wù)端時(shí)間為參照)；

· T4為客戶收到NTP回復(fù)包時(shí)間戳(以客戶時(shí)間為參照)；

· d1為NTP請(qǐng)求包傳送延時(shí)，d2為NTP回復(fù)包傳送延時(shí)；

· t為服務(wù)端和客戶端之間的時(shí)間偏差，d為NTP包的往返時(shí)間；

則問題轉(zhuǎn)換為已知T1、T2、T3、T4，求得t即可調(diào)整客戶端時(shí)鐘。列方程組如下：

假設(shè)NPT請(qǐng)求和回復(fù)包傳送延時(shí)相等，即d1=d2，則可解得：

可以看出，t、d只與T2、T1差值及T3、T4差值相關(guān)，而與T2、T3差值無關(guān)，即最終的結(jié)果與服務(wù)端處理請(qǐng)求所需的時(shí)間無關(guān)。

3. NTP授時(shí)精度分析

 NTP授時(shí)精度與NTP服務(wù)端與用戶間的網(wǎng)絡(luò)狀況有關(guān)，主要取決于NTP包往返路由的延時(shí)對(duì)稱程度，往返路由的延時(shí)不對(duì)稱值最大不超過網(wǎng)絡(luò)延時(shí)。

根據(jù)第一個(gè)方程組的第一個(gè)等式：

t也可表示為：

我們此前都假設(shè)NTP請(qǐng)求和回復(fù)包在網(wǎng)上傳送延時(shí)相等，即d1=d2=d/2，而d1、d2的取值范圍在(0…d)間，因此由上式可以得出最大授時(shí)誤差是±d/2。一般廣域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)在10-500ms之間，局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)延時(shí)在計(jì)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核處理延遲的情況下通常小于1ms。假定局域網(wǎng)內(nèi)NTP延時(shí)小于1ms，理論上授時(shí)誤差小于0.5ms，但對(duì)于Windows操作系統(tǒng)內(nèi)置的NTP客戶和NTP服務(wù)而言并不能達(dá)到此精度。Windows NTP時(shí)鐘分辨率因操作系統(tǒng)和硬件不同而有所不同，時(shí)鐘分辨率通常為10ms或15ms�；�于Windows操作系統(tǒng)內(nèi)置的NTP授時(shí)精度最高不超過10ms。

 基于NTP時(shí)鐘偏差的原因時(shí)鐘頻率偏差和時(shí)鐘分辨率低是局域網(wǎng)NTP授時(shí)精度不高的主要原因。

通用存在兩類時(shí)鐘源，即硬件時(shí)鐘和軟件時(shí)。不論是硬件時(shí)鐘還是軟件時(shí)鐘，都是由石英晶體振蕩器驅(qū)動(dòng)的，通過累計(jì)石英晶體振蕩器輸出脈沖數(shù)換算出時(shí)間。受溫度變化、電壓、芯片老化等因素影響，晶振頻率會(huì)發(fā)生小幅度波動(dòng)，其中溫度對(duì)晶振頻影響最大。由于工藝和材料的原因，同一生產(chǎn)線上標(biāo)稱頻率相同的石英晶體，其實(shí)際頻率也是不同的。時(shí)鐘頻率偏差是時(shí)鐘長(zhǎng)期計(jì)時(shí)累積誤差的主要原因，要提高時(shí)鐘長(zhǎng)期計(jì)時(shí)精度，必須補(bǔ)償時(shí)鐘頻率偏差。任何晶振實(shí)際工作頻率都是不穩(wěn)定的，只是程度不同而已。此外，操作系統(tǒng)應(yīng)用層加蓋、操作系統(tǒng)內(nèi)核處理延時(shí)的不確定也會(huì)影響NTP時(shí)鐘的計(jì)算。